基于Moldflow的透鏡雙折射優化分析

周大路

（華東交通大學工程訓練中心，南昌330013）

0 引 言

光學塑料是經常用到的材料，其主要使用于光學元器件，在材料加工過程中經常會遇到透過的光線產生相位差的問題，在成像時出現雙重影像，這就是雙折射現象。盡管這種現象無法徹底根除，但把這種不良現象的影響降到最低甚至可以忽略不計是我們一直在努力的目標［1-2］。

透明材料的折射指數屬于無量綱屬性，該屬性指定光在材料中傳播時的減速因子。對于大多數材料而言，折射指數與光的傳播方向和偏振無關，但應力可以改變材料的折射指數。如果不同方向的應力有所不同，則材料的折射指數可能取決于入射光的偏振，這種現象即稱為雙折射。透明材料中由殘余應力引起雙折射，水平偏振光和垂直偏振光在材料中以不同的速度傳播并呈異相。

相移就是制品內部的殘余應力使得制品呈現各向異性的特征。穿過制品的光線，平行于光傳播方向的偏振光波與垂直于光傳播方向的偏振光波在穿過制品后產生相移。相移的數值越小制品的光學性能越好。

光進入雙折射材料時，將分解為沿各個主應力方向偏振的分光束。每條光束的折射指數都不同，因此在材料中的傳播速度也不同。當這些分量重新組合在一起時，便呈異相，這種相位差異有時稱為遲滯。將材料放在兩個交叉的偏振濾光器之間即可觀察到這種效果。

水平偏振和垂直偏振光波出現距離為x的偏移。這可完全采用長度或波長的一部分（波長的1/4或90°）形式來表示。遲滯結果可顯示出水平偏振光和垂直偏振光從指定方向穿越零件時彼此之間的差異，此差異可表示為絕對距離或波長的若干分之一。遲滯的數值越小制品的光學性能越好。

1 分析架構及工藝參數設定

1.1 雙折射分析架構

熔體充模、保壓過程中在模腔做非等溫流動形成流動應力。冷卻過程中內外溫度分布不均勻，而被“凝固”在制品中的各種應力之和稱之為殘余應力。注塑件的殘余應力不僅影響制品的表面形狀、力學性能而且影響著其光學性能。

制品內部的殘余應力會改變穿過光線的折射率。如果制品內部各方向上的應力分布不均，那么經過此處光的折射率就取決于入射光的偏振程度，這就是引起制品出現雙折射的主要原因。相移一般控制在90°以內，越小越好。高品質的光學元件要控制在30°以內［3］。

注塑保壓的目的就是為了補充因冷卻導致的熔體體積收縮，體積收縮率越均勻，其翹曲變形越小，制件質量越高，而造成這些的主要原因就是殘余應力。要進行保壓方案的優化，就需要先確定優化的目標，即可接受的雙折射的相移和遲滯大小，而后進行初始保壓分析，再基于分析結果不斷調整保壓曲線來達到優化目標。

生成雙折射結果，要設置標準的翹曲分析序列，然后在填充+保壓工藝設置中選擇“材料數據包含光學屬性時進行雙折射分析”。此外，必須選擇具有測量光學屬性（折射指數、應力-光學系數、黏彈性延遲光譜）的材料。

1.2 保壓壓力優化

本文采用Mouldflow 2017進行模擬分析，首先通過填充分析得到保壓時間、溫度、壓力等基本參數，在此基礎上著力對保壓壓力進行分析。在得到優化保壓壓力值以后再對保壓曲線進行優化，最終得到最優化的相移、遲滯值。

2 模擬分析

2.1 分析制品模型

分析制品為帶倒圓角長方形平板模型，幾何尺寸為100 mm×80 mm×5 mm（長×寬×厚），本制品采用點澆口，實驗采用四面體網格模型進行3D模擬，幾何模型與網格劃分如圖1所示。

圖1 制品網格模型

2.2 材料選擇

本實驗材料選擇Mitsubishi Rayon公司的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），牌號為ACRYPET VH001。材料經過光學性能測試如圖2所示，分析結果中包含偏振光通過制品時形成的相移和遲滯。

圖2 PMMA材料的光學屬性

2.3 成型參數設置

先進行充填分析，其工藝參數：充填時間1.5 s，保壓壓力9.5 MPa，如圖3所示。從分析日志得知：達到頂出溫度的時間為58 s；可以設置最大充填壓力的80%作為初始保壓力，如圖4所示。

圖3 充填分析結果

圖4 保壓控制曲線的設置

2.4 保壓分析及保壓力調整

（1）在“選擇分析序列”對話框中選擇“填充+保壓+翹曲”選項。

（2）進行首次保壓分析，工藝參數為：熔體溫度235℃。在“保壓控制”選項中選取“保壓壓力與時間”，如圖5所示。

圖5 保壓控制設置

（3）勾選“材料數據包含光學屬性時進行雙折射分析”選項。

（4）保壓壓力與時間關系曲線如圖6所示。

圖6 保壓壓力與時間關系的曲線

2.5 保壓壓力與相移、遲滯的關系

首先保壓壓力以10 MPa為單位順序展開，根據實驗數值模擬結果得到保壓壓力與相移、遲滯的相關數據，如表1所示。分析雙折射結果一般都是以光學品質為標準，這里考慮的都是相移、遲滯的最小值［4-6］（限于篇幅只列出9組數值）。

表1 實驗數值模擬結果

由表1看出，當壓力為30 MPa時，相移為0.153 4°，遲滯為0.232 8 nm，如圖7所示。與20 MPa的相移值相差93%。根據圖中色帶所示，制品的絕大部分為藍色，紅色部分只是制品邊緣很小一部分。從表1的結果還可以看出，30 MPa的壓力相移角度和遲滯距離最小，其他皆比它大［7-9］。

圖7 壓力為30 MPa時的相移、遲滯值

2.6 相移角度與保壓壓力關系

通過模擬把保壓壓力值改變，而其他參數保持不變，得到了如圖8所示關系曲線。由圖8可知：制品的相移變化與保壓壓力有關。當保壓壓力為30 MPa時相移角度最小，其相移角度分布如圖9所示。

圖8 壓力對相移的影響

圖9 相移角度的分布

2.7 遲滯距離與保壓壓力關系

由圖10可知：制品的遲滯距離與保壓壓力有關。當保壓壓力為30 MPa時遲滯距離度最小，其遲滯距離分布如圖11所示。

圖10 壓力對遲滯的影響

圖11 遲滯距離分布

2.8 優化保壓曲線對相移角度、遲滯距離的影響

將保壓時間1.5 s分為1.2 s和0.3 s兩個時間段（經過多次時間段的反復調整，限于篇幅，這里就不一一列出了），其他參數不變，再次分析。由圖12可見，制件相移最小值減小到0.052 0°，制件遲滯最小值減小到0.078 9 nm。如圖13、14所示［10-13］。

圖12 保壓壓力與時間關系曲線

圖13 優化的相移角度

圖14 優化的遲滯距離

3 結 語

本文采用數值分析得到聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），牌號為ACRYPET VH001的成型最佳保壓成型工藝。參數為熔體溫度235℃，模具溫度70℃，填充時間1.5 s，保壓壓力30 MPa，冷卻時間20 s。分析表明，合適的保壓壓力可以很好地降低雙折射的影響。對于合適的制品保壓壓力，如果再調整好保壓曲線，可以在原有的優化基礎上再進行優化［14-17］。

保壓壓力對雙折射值影響顯著，對于相移和遲滯范圍嚴重超出了光學性能的允許范圍的注塑加工可以通過注射成型分析，調整保壓壓力和保壓曲線來達到預期的效果。這樣的方法對雙折射問題的分析處理方法效率很高，也適用于其他注塑缺陷問題的分析解決。